一文詳細(xì)了解五種IO模型

一、基本概念

五種IO模型包括：阻塞IO、非阻塞IO、IO多路復(fù)用、信號驅(qū)動IO、異步IO。

首先需要了解下系統(tǒng)調(diào)用的幾個函數(shù)和基本概念。

1.1 簡單介紹幾個系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)

由于我對于C語言不熟悉，幾個系統(tǒng)函數(shù)參考了一些文章，如果錯誤歡迎指出!

recvfrom

Linux系統(tǒng)提供給用戶用于接收網(wǎng)絡(luò)IO的系統(tǒng)接口。從套接字上接收一個消息，可同時應(yīng)用于面向連接和無連接的套接字。

如果此系統(tǒng)調(diào)用返回值<0，并且 errno為EWOULDBLOCK或EAGAIN(套接字已標(biāo)記為非阻塞，而接收操作被阻塞或者接收超時 )時，連接正常，阻塞**接收數(shù)據(jù)(這很關(guān)鍵，前4種IO模型都設(shè)計此系統(tǒng)調(diào)用)。

select

select系統(tǒng)調(diào)用允許程序同時在多個底層文件描述符上，等待輸入的到達(dá)或輸出的完成。以數(shù)組形式存儲文件描述符，64位機(jī)器默認(rèn)2048個。當(dāng)有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時，無法感知具體是哪個流OK了，所以需要一個一個的遍歷，函數(shù)的時間復(fù)雜度為O(n)。

poll

以鏈表形式存儲文件描述符，沒有長度限制。本質(zhì)與select相同，函數(shù)的時間復(fù)雜度也為O(n)。

epoll

是基于事件驅(qū)動的，如果某個流準(zhǔn)備好了，會以事件通知，知道具體是哪個流，因此不需要遍歷，函數(shù)的時間復(fù)雜度為O(1)。

sigaction

用于設(shè)置對信號的處理方式，也可檢驗對某信號的預(yù)設(shè)處理方式。Linux使用SIGIO信號來實(shí)現(xiàn)IO異步通知機(jī)制。

1.2 同步&異步

同步和異步是針對應(yīng)用程序和內(nèi)核交互而言的，也可理解為被被調(diào)用者(操作系統(tǒng))的角度來說。

同步是用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作并等待或輪詢的去查看是否就緒，而異步是指用戶進(jìn)程觸發(fā)IO操作以后便開始做自己的事情，而當(dāng)IO操作已經(jīng)完成的時候會得到IO完成的通知，需要CPU支持

1.3 阻塞&非阻塞

阻塞和非阻塞是針對于進(jìn)程在訪問數(shù)據(jù)的時候，也可理解為調(diào)用者(程序)角度來說。根據(jù)IO操作的就緒狀態(tài)來采取的不同的方式。

阻塞方式下讀取或?qū)懭敕椒▽⒁恢钡却?，而非阻塞方式下讀取或?qū)懭敕椒〞⒓捶祷匾粋€狀態(tài)值。

下午擼代碼餓了，好久沒吃KFC了，決定去整個全家桶 ，這一切都要從一個全家桶說起~

我跑去肯德基買全家桶，但是很不巧，輪到我時，全家桶賣完了，我只能等著新做一份 …

二、阻塞IO模型

學(xué)習(xí)過操作系統(tǒng)的知識后，可以知道：不管是網(wǎng)絡(luò)IO還是磁盤IO，對于讀操作而言，都是等到網(wǎng)絡(luò)的某個數(shù)據(jù)分組到達(dá)后/數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，將數(shù)據(jù)拷貝到內(nèi)核空間的緩沖區(qū)中，再從內(nèi)核空間拷貝到用戶空間的緩沖區(qū)。

此時我已饑渴難耐，全程盯著后廚，等待著一分一秒(別多想 )，終于全家桶做好了，在此期間雖然什么事也沒干，但是最后能吃到全家桶，我很幸福。

此處需要一個清新的腦回路，我就是程序，我想要全家桶，于是發(fā)起了系統(tǒng)調(diào)用，而后廚加工的過程就是在做數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和拷貝工作。全家桶最終到手，數(shù)據(jù)終于從內(nèi)核空間拷貝到了用戶空間。

簡單看下執(zhí)行流程：

接下來發(fā)揮看圖說話的專長了：阻塞IO的執(zhí)行過程是進(jìn)程進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用，等待內(nèi)核將數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并復(fù)制到用戶態(tài)緩沖區(qū)后，進(jìn)程放棄使用CPU并一直阻塞在此，直到數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。

三、非阻塞IO模型

此時我每隔5分鐘詢問全家桶好了沒，在數(shù)次盤問后，終于出爐了。在每一次盤問之前，對于程序來說是非阻塞的，占用CPU資源，可以做其他事情。

每次應(yīng)用程序詢問內(nèi)核是否有數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好。如果就緒，就進(jìn)行拷貝操作;如果未就緒，就不阻塞程序，內(nèi)核直接返回未就緒的返回值，等待用戶程序下一個輪詢。

大致經(jīng)歷兩個階段：

等待數(shù)據(jù)階段：未阻塞， 用戶進(jìn)程需要盲等，不停的去輪詢內(nèi)核。

數(shù)據(jù)復(fù)制階段：阻塞，此時進(jìn)行數(shù)據(jù)復(fù)制。

在這兩個階段中，用戶進(jìn)程只有在數(shù)據(jù)復(fù)制階段被阻塞了，而等待數(shù)據(jù)階段沒有阻塞，但是用戶進(jìn)程需要盲等，不停地輪詢內(nèi)核，看數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)備好。

四、IO多路復(fù)用模型

排了很長的隊，終于輪到我支付后，拿到了一張小票，上面有號次。當(dāng)全家桶出爐后，會喊相應(yīng)的號次來取。KFC營業(yè)員小姐姐打小票出號次的動作相當(dāng)于操作系統(tǒng)多開了個線程，專門接收客戶端的連接。我只關(guān)注叫到的是不是我的號，因此程序還需在服務(wù)端注冊我想監(jiān)聽的事件類型。

多路復(fù)用一般都是用于網(wǎng)絡(luò)IO，服務(wù)端與多個客戶端的建立連接。下面是神奇的多路復(fù)用執(zhí)行過程：

相比于阻塞IO模型，多路復(fù)用只是多了一個select/poll/epoll函數(shù)。select函數(shù)會不斷地輪詢自己所負(fù)責(zé)的文件描述符/套接字的到達(dá)狀態(tài)，當(dāng)某個套接字就緒時，就對這個套接字進(jìn)行處理。select負(fù)責(zé)輪詢等待，recvfrom負(fù)責(zé)拷貝。當(dāng)用戶進(jìn)程調(diào)用該select，select會監(jiān)聽所有注冊好的IO，如果所有IO都沒注冊好，調(diào)用進(jìn)程就阻塞。

對于客戶端來說，一般感受不到阻塞，因為請求來了，可以用放到線程池里執(zhí)行;但對于執(zhí)行select的操作系統(tǒng)而言，是阻塞的，需要阻塞地等待某個套接字變?yōu)榭勺x。

IO多路復(fù)用其實(shí)是阻塞在select，poll，epoll這類系統(tǒng)調(diào)用上的，復(fù)用的是執(zhí)行select，poll，epoll的線程。

五、信號驅(qū)動IO模型

跑KFC嫌麻煩，剛好有個會員，直接點(diǎn)份外賣，美滋滋。當(dāng)外賣送達(dá)時，會收到取餐電話(信號)。在收到取餐電話之前，我可以愉快地吃雞或者學(xué)習(xí)。

當(dāng)數(shù)據(jù)報準(zhǔn)備好的時候，內(nèi)核會向應(yīng)用程序發(fā)送一個信號，進(jìn)程對信號進(jìn)行捕捉，并且調(diào)用信號處理函數(shù)來獲取數(shù)據(jù)報。

該模型也分為兩個階段：

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備階段：未阻塞，當(dāng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完成之后，會主動的通知用戶進(jìn)程數(shù)據(jù)已經(jīng)準(zhǔn)備完成，對用戶進(jìn)程做一個回調(diào)。

數(shù)據(jù)拷貝階段：阻塞用戶進(jìn)程，等待數(shù)據(jù)拷貝。

六、異步IO模型此時科技的發(fā)展已經(jīng)超乎想象了，外賣機(jī)器人將全家桶自動送達(dá)并轉(zhuǎn)換成營養(yǎng)快速注入我的體內(nèi)，同時還能得到口感的滿足。注入結(jié)束后，機(jī)器人會提醒我注入完畢。在這個期間我可以放心大膽的玩，甚至注射的時候也不需要停下來!

類比一下，就是用戶進(jìn)程發(fā)起系統(tǒng)調(diào)用后，立刻就可以開始去做其他的事情，然后直到I/O數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好并復(fù)制完成后，內(nèi)核會給用戶進(jìn)程發(fā)送通知，告訴用戶進(jìn)程操作已經(jīng)完成了。

特點(diǎn)：

異步I/O執(zhí)行的兩個階段都不會阻塞讀寫操作，由內(nèi)核完成。

完成后內(nèi)核將數(shù)據(jù)放到指定的緩沖區(qū)，通知應(yīng)用程序來取。

七、Java中的BIO，NIO，AIO操作系統(tǒng)的IO模型是底層基石，Java對于IO的操作其實(shí)就是進(jìn)一步的封裝。適配一些系統(tǒng)調(diào)用方法，讓我們玩地更爽。

BIO，NIO，AIO涉及相關(guān)實(shí)操代碼已收錄至我的github，歡迎star~

7.1 BIO--同步阻塞的編程方式

JDK1.4之前常用的編程方式。

實(shí)現(xiàn)過程：

首先在服務(wù)端啟動一個ServerSocket來監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)請求，客戶端啟動Socket發(fā)起網(wǎng)絡(luò)請求，默認(rèn)情況下ServerSocket會建立一個線程來處理此請求，如果服務(wù)端沒有線程可用，客戶端則會阻塞等待或遭到拒絕，并發(fā)效率比較低。

服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的模式是一個連接一個線程，若有客戶端有連接請求服務(wù)端就需要啟動一個線程進(jìn)行處理，如果這個連接不做任何事情會造成不必要的線程開銷。當(dāng)然，也可以通過線程池機(jī)制改善。

使用場景：

BIO適用于連接數(shù)目比較小且固定的架構(gòu)，對服務(wù)器資源要求高，并發(fā)局限于應(yīng)用中。

7.2 NIO--同步非阻塞的編程方式

7.2.1 NIO簡介

NIO 本身是基于事件驅(qū)動思想來完成的，當(dāng) socket 有流可讀或可寫入時，操作系統(tǒng)會相應(yīng)地通知應(yīng)用程序進(jìn)行處理，應(yīng)用再將流讀取到緩沖區(qū)或?qū)懭氩僮飨到y(tǒng)。一個有效的請求對應(yīng)一個線程，當(dāng)連接沒有數(shù)據(jù)時，是沒有工作線程來處理的。

服務(wù)器實(shí)現(xiàn)模式為一個請求一個通道，即客戶端發(fā)送的連接請求都會注冊到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有 I/O 請求時才啟動一個線程進(jìn)行處

使用場景：

NIO 方式適用于連接數(shù)目多且連接比較短(輕操作)的架構(gòu)，比如聊天服務(wù)器，并發(fā)局限于應(yīng)用中，編程復(fù)雜，JDK1.4 開始支持。

7.2.2 NIO中的幾種重要角色

有緩沖區(qū)Buffer，通道Channel，多路復(fù)用器Selector。

7.2.2.1 Buffer

在NIO庫中，所有數(shù)據(jù)都是用緩沖區(qū)(用戶空間緩沖區(qū))處理的。在讀取數(shù)據(jù)時，它是直接讀到緩沖區(qū)中的;在寫入數(shù)據(jù)時，也是寫入到緩沖區(qū)中。任何時候訪問NIO中的數(shù)據(jù)，都是通過緩沖區(qū)進(jìn)行操作。

緩沖區(qū)實(shí)際上是一個數(shù)組，并提供了對數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化訪問以及維護(hù)讀寫位置等信息。

Buffer的應(yīng)用固定邏輯

相關(guān)的代碼我會更新至github~

寫操作順序

clear()

put() -> 寫操作

flip() ->重置游標(biāo)

SocketChannel.write(buffer); ->將緩存數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的另一端

clear()

讀操作順序

clear()

SocketChannel.read(buffer); ->從網(wǎng)絡(luò)中讀取數(shù)據(jù)

buffer.flip()

buffer.get() ->讀取數(shù)據(jù)

buffer.clear()

7.2.2.2 Channel

nio中對數(shù)據(jù)的讀取和寫入要通過Channel，它就像水管一樣，是一個通道。通道不同于流的地方就是通道是雙向的，可以用于讀、寫和同時讀寫操作。

7.2.2.3 Selector

多路復(fù)用器，用于注冊通道?？蛻舳税l(fā)送的連接請求都會注冊到多路復(fù)用器上，多路復(fù)用器輪詢到連接有I/O請求時才啟動一個線程進(jìn)行處理

7.3 AIO--異步非阻塞編程方式

進(jìn)行讀寫操作時，只須直接調(diào)用api的read或write方法即可。一個有效請求對應(yīng)一個線程，客戶端的IO請求都是OS先完成了再通知服務(wù)器應(yīng)用去啟動線程進(jìn)行處理。

使用場景

AIO方式使用于連接數(shù)目多且連接比較長(重操作)的架構(gòu)，比如相冊服務(wù)器，充分調(diào)用OS參與并發(fā)操作，編程比較復(fù)雜，JDK1.7開始支持。

八、總結(jié)從效率上來說，可以簡單理解為阻塞IO<非阻塞IO<多路復(fù)用IO<信號驅(qū)動IO<異步IO。從同步和異步來說，只有異步IO模型是異步的，其他均為同步。

原文標(biāo)題：一口氣說出5種IO模型的

文章出處：【微信公眾號：硬件攻城獅】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請注明出處。

審核編輯：湯梓紅